JP7163869B2 - 非接触給電システムおよびその制御方法 - Google Patents

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Description

本開示は、非接触で移動体に電力が供給される技術に関する。
特許文献1には、受電装置に対して、ワイヤレスで電力を送電する送電装置が開示されている。この送電装置は、受電装置の受電電力の情報を無線で受け取り、受け取った受電装置の電力情報に基づいて、送電電力を制御している。
特開2018-196236号公報
上記従来技術の構成では、受電電力の制御は、通信によって受電電力の情報を送電装置に送信し、送電装置が送電電力を制御することによって行なわれるため、受電電力の制御が受電装置だけでなく送電装置にも依存するため、送電装置及び受電装置に通信装置が必要である、という問題がある。
また、走行する車両のような移動体の受電装置に対して、道路に設置された給電装置から非接触で電力を供給する非接触給電システムにおいて、通信を行なわない方式の場合には、通常、許容される動作範囲のいずれにおいても受電装置で電力の受電が可能となるように、受電装置側において受電能力が最も低い動作条件で各装置のパラメータが設定される。この場合、受電能力の変動によって受電装置で充電電力として受電する電力の効率が低下する可能性がある、という問題がある。
本開示の一形態によれば、給電装置(100)と、バッテリ(230)を備える移動体(200)に搭載され、前記給電装置に対して相対的な位置が変動する受電装置(205)と、を有し、前記給電装置から前記受電装置に非接触で電力が供給される非接触給電システムが提供される。この非接触給電システムにおいて、前記給電装置は、前記受電装置に電力を送電する少なくとも1つの送電コイル(112)を含む送電共振回路(110)を有する複数のセグメント(Seg)であって、各セグメントの前記送電コイルが前記移動体の進行方向に沿って配置される複数のセグメントを備える。前記受電装置は、いずれかの前記送電コイルから電力を受電する少なくとも1つの受電コイル(212)を含む受電共振回路(210)と、前記受電コイルが前記送電コイルから離れるように前記移動体の位置を変動させることにより、前記バッテリの充電効率を制御する制御装置(290)と、を備える。
この非接触給電システムによれば、受電装置において、給電装置からの情報を受け取らずに、充電電力として受電する電力の効率を制御することが可能となる。これにより、従来技術で説明したバッテリの充電効率の低下のように、充電電力として受電する電力の効率が低下することを抑制することができる。
本開示の他の一形態によれば、給電装置(100)から、バッテリ(230)を備える移動体(200)に搭載され、前記給電装置に対して相対的な位置が変動する受電装置(205)に非接触で電力が供給される非接触給電システムの制御方法が提供される。前記給電装置は、前記受電装置に電力を送電する少なくとも1つの送電コイル(112)を含む送電共振回路(110)を有する複数のセグメント(Seg)であって、各セグメントの前記送電コイルが前記移動体の進行方向に沿って配置される複数のセグメントを備える。前記受電装置は、少なくとも1つの受電コイル(212)を含む受電共振回路(210)を備える。非接触給電システムの制御方法では、前記受電コイルが前記送電コイルから離れるように前記移動体の位置を変動させることにより、前記バッテリの充電効率を制御する。
この非接触給電システムの制御方法によれば、受電装置において、給電装置からの情報を受け取らずに、充電電力として受電する電力の効率を制御することが可能となる。これにより、従来技術で説明したバッテリの充電効率の低下のように、充電電力として受電する電力の効率が低下することを抑制することができる。
非接触給電システムの全体構成を示すブロック図。 給電装置の1つのセグメントと受電装置を示すブロック図。 結合係数に対する受電能力と充電効率の関係及び結合係数に対する損失の関係の一例を比較して示す説明図。 送電コイルに対する受電コイルの相対的な位置の変動について示す説明図。 結合係数に対する充電効率の関係及び結合係数に対するDC/DCコンバータ回路の入力電圧の関係の一例を比較して示す説明図。 走行位置制御の手順を示すフローチャート。 送電コイルの中心位置を示す位置マーカについて示す説明図。
A.実施形態:
図1に示すように、非接触給電システムは、道路RSに設置された給電装置100と、移動体として道路RSを走行する車両200に搭載された受電装置205とを含み、車両200の走行中に車両200に電力を非接触で供給することが可能なシステムである。車両200は、例えば、電気自動車やハイブリッド車として構成される。図1において、x軸方向は車両200の進行方向を示し、y軸方向は車両200の幅方向を示し、z軸方向は鉛直上方向を示す。後述する他の図におけるx,y,z軸の方向も、図1と同じ方向を示している。
給電装置100は、複数のセグメントSegと、複数のセグメントSegに直流電力を供給する電源回路130と、を備えている。各セグメントSegは、送電共振回路110と、送電共振回路110に交流電力を供給する送電回路120と、を備えている。
送電共振回路110は、道路RSの車線の中央の路面上あるいは路面中に設置された送電コイル112と、不図示の共振コンデンサを有している。各セグメントSegの送電コイル112は、車両200の進行方向(「道路RSの延在方向」とも呼ぶ、図1の例ではx方向)に沿って設置されている。
送電回路120は、電源回路130から供給される直流電力を高周波の交流電力に変換して、送電共振回路110の送電コイル112に供給する回路である。送電回路120の具体的な構成例については後述する。電源回路130は、直流電力を送電回路120に供給する回路である。例えば、電源回路130は、外部電源の交流電圧を整流して直流電圧を出力するAC/DCコンバータ回路として構成される。
なお、図1は、複数のセグメントSegのうち、1番目のセグメントSeg1~4番目のセグメントSeg4の4つのセグメントが示されており、2番目のセグメントSeg2の送電コイル112の上方に後述する受電装置205の受電コイル212が位置している状態を例に示している。
車両200は、受電装置205と、メインバッテリ230と、モータジェネレータ240と、インバータ回路250と、DC/DCコンバータ回路260と、補機バッテリ270と、補機280と、制御装置290、車両運転制御装置295と、を備えている。受電装置205は、受電共振回路210と受電回路220とを備えている。
受電共振回路210は、車両200の底面に設置された受電コイル212と、不図示の共振コンデンサを含んでおり、送電共振回路110との間の電磁誘導現象によって受電コイル212に誘導された交流電力を得る装置である。なお、受電コイル212の送電コイル112側を向くコイル面と、送電コイル112の受電コイル212側を向くコイル面の進行方向の大きさは、ほほ同等である。コイル面は、ループ状の配線によって囲まれ、ループ状のコイルとして機能する面であり、図1においては、基本的にはxy平面に沿った面である。受電回路220は、受電共振回路210から出力される交流電力を直流電力に変換する回路である。受電回路220の具体的な構成例については後述する。受電回路220から出力される直流電力は、負荷としてのメインバッテリ230の充電に利用することができる。また、受電回路220から出力される直流電力は、補機バッテリ270の充電や、モータジェネレータ240の駆動、及び、補機280の駆動にも利用可能である。
メインバッテリ230は、モータジェネレータ240を駆動するための直流電力を出力する2次電池である。モータジェネレータ240は、3相交流モータとして動作し、車両200の走行のための駆動力を発生する。モータジェネレータ240は、車両200の減速時にはジェネレータとして動作し、3相交流電力を発生する。インバータ回路250は、モータジェネレータ240がモータとして動作するとき、メインバッテリ230の直流電力を3相交流電力に変換してモータジェネレータ240を駆動する。インバータ回路250は、モータジェネレータ240がジェネレータとして動作するとき、モータジェネレータ240が出力する3相交流電力を直流電力に変換してメインバッテリ230に供給する。
DC/DCコンバータ回路260は、メインバッテリ230の直流電圧を、より低い直流電圧に変換して補機バッテリ270及び補機280に供給する。補機バッテリ270は、補機280を駆動するための直流電力を出力する2次電池である。補機280は、空調装置や電動パワーステアリング装置等の周辺装置である。
制御装置290は、車両200内の各部を制御する。車両運転制御装置295は、インバータ回路250の動作や不図示の操舵、駆動力等の動作を制御して、車両200の運動を制御する。制御装置290は、車両200の走行中において、走行中非接触給電を受ける際には、受電回路220を制御して受電を実行するとともに、車両運転制御装置295を介して、車両200の運動、例えば、操舵の動作を制御して、道路RSの車線の幅方向における車両200の走行位置(「移動位置」とも呼ぶ)を制御する。車線の幅方向は、y方向に沿った方向であり、「横方向」とも呼ぶ。なお、この車両200の走行位置に関しては後述する。
給電装置100の1つのセグメントSegと、車両200の受電装置205は、例えば、図2に示す回路で構成されている。図2は、2番目のセグメントSeg2の送電コイル112のコイル面の上方に受電装置205の受電コイル212が位置し(図1参照)、セグメントSeg2と受電装置205との間で、送電コイル112と受電コイル212の磁気的な結合によって送電が行なわれている状態を一例に示している。
送電共振回路110は、直列に接続された送電コイル112と共振コンデンサ116とを有している。受電共振回路210も、送電共振回路110と同様に、直列に接続された受電コイル212と共振コンデンサ216とを有している。送電共振回路110および受電共振回路210には、一次直列二次直列コンデンサ方式(「SS方式」とも呼ばれる)が適用されている。また、送電側が単相の送電コイル112で構成され、受電側が単相の受電コイル212で構成された送電側単相-受電側単相の非接触給電方式が適用されている。送電コイル112と受電コイル212との間の磁気的な結合の大きさを示す結合係数に応じて送電コイル112から受電コイル212との間の電磁誘導による電力の伝送度合いは変化する。なお、結合係数kは、送電コイル112のコイル面の中心位置と受電コイル212のコイル面の中心位置の位置関係(図1のx方向、y方向、z方向の3次元方向の間隔である)に応じて変化する。例えば、x方向の間隔が大きくなれば結合係数kは小さくなり、x方向の間隔が狭くなれば結合係数kは大きくなる。他の方向においても同様である。そして、結合係数kが大きいほど、受電コイル212で受電可能な電力(以下、「受電能力」とも呼ぶ)は大きくなる。但し、実際の受電電力は、後述するように、メインバッテリ230への充電のために要求される電力に設定される。
送電回路120は、電源回路130からの直流電力を交流電力に変換するインバータ回路122と、伝送する交流電力の基本周波数成分よりも高い高周波成分を低減させるフィルタ回路124とを備えている。フィルタ回路124としては、イミタンス変換回路やローパスフィルタ回路、バンドパスフィルタ回路等のフィルタ回路が用いられる。なお、フィルタ回路124は省略可能である。
受電回路220は、受電する交流電力の基本周波数成分よりも高い周波数成分を低減させるフィルタ回路224と、フィルタ回路224からの交流電力を直流電力に変換する整流回路226と、メインバッテリ230の充電に適した直流電圧の電力に変換する電力変換回路としての昇圧型のDC/DCコンバータ回路228と、を備えている。フィルタ回路224にも、フィルタ回路124と同様に、イミタンス変換回路やローパスフィルタ回路、バンドパスフィルタ回路等のフィルタ回路が用いられる。なお、フィルタ回路224は省略可能である。
DC/DCコンバータ回路228の入力端には、DC/DCコンバータ回路228の入力電圧を計測する電圧センサSV及び不図示の電流センサが設けられており、これらのセンサによる計測結果は計測情報として制御装置290に供給される。図2には、電圧センサSVによって計測された計測結果が計測情報DVとして示されている。これらのセンサで計測された計測情報は、メインバッテリ230のから制御装置290に供給される電圧や電流の情報とともに、DC/DCコンバータ回路228の電圧変換動作の制御に利用される。
メインバッテリ230(図2参照)への充電のための要求電力は、メインバッテリ230から制御装置290に供給される充電状態(「SOC」と呼ばれる)の情報から設定される。DC/DCコンバータ回路228は、メインバッテリ230の充電状態の情報及びこれに応じて設定される要求電力に従って、制御装置290によって制御され、メインバッテリ230の電圧で規定される出力電圧及び要求電力に対応した入力電圧となるように動作する。
図3の上段に示すように、設定された要求電力に対して、受電装置205の受電能力は結合係数kが大きいほど大きくなる。そこで、受電装置205の設計においては、通常、結合係数kがあらかじめ設定される最低の値である場合において得られる受電能力が、メインバッテリ230の最低の充電状態においても、最低限必要な要求電力が確保されるように、受電装置205の各回路のパラメータが設定される。このようにすれば、結合係数kが予め設定される範囲で変動したとしても、最低限必要な要求電力に対応する受電電力を確保することが可能となる。
結合係数kが設計値となる動作条件の場合においては、図3の上段の受電能力と要求電力との関係に応じて、充電効率は図3の中段に示した値となり、損失は図3の下段に示した値となる。そして、結合係数kが設計値よりも大きくなるに従って、要求電力に比べて受電能力が大きくなるため、図3の中段に示すように充電効率が低下するとともに、図3の下段に示すように要求電力に対する受電能力の余剰分が損失となって増加する。ここで、DC/DCコンバータ回路228は、メインバッテリ230への充電電力が要求電力となるように、昇圧動作を実行する。このため、損失の増加は、DC/DCコンバータ回路228における損失が大半を占める。この結果、結合係数kの増加に伴って、充電電力として受電する電力の効率、すなわち充電効率が低下する。
そこで、結合係数kが設計値よりも増加して充電効率が低下した場合には、結合係数kを減少させるために、x方向に沿った進行方向に向かって車両200が走行する車線内における車両200のy方向に沿った横方向の走行位置を、現在の位置よりも車線の外側の位置に変動させることにより、充電効率を向上させることができる。具体的には、図4に示すように、道路RSの車線の中央に進行方向に沿って配置された送電コイル112の進行方向に沿った仮想の中心線CXtと進行方向に沿った受電コイル212の仮想の中心線CXrとの間隔Rが、現在の間隔よりも大きくなるように、車両200の走行位置を現在の位置から横方向に変動させればよい。
ここで、図5に示すように、充電効率の変化は、DC/DCコンバータ回路228(図2参照)の入力電圧Vdの変化となって現れる。従って、結合係数kの増加による充電効率の低下は、電圧センサSV(図2参照)により計測される入力電圧Vdの低下から判断することができる。
そこで、制御装置290(図1参照)は、図6に示す走行位置制御処理を実行することによって、結合係数kの増加に伴って、充電電力として受電する電力の効率、すなわち、充電効率が低下することを抑制することができる。まず、DC/DCコンバータ回路228の入力電圧Vdを計測する(ステップS12)。そして、設計上の結合係数kの値に対応する入力電圧Vdcである基準電圧Vdcと、入力電圧Vdの差[Vdc-Vd]が、あらかじめ定めた閾値Td未満である場合には(ステップS14:YES)、車線内における車両200の横方向の走行位置(図4参照)を変動させず(ステップS16)、現在の位置を維持して走行させ、ステップS12に戻って処理を繰り返す。一方、差[Vdc-Vd]が閾値Td以上である場合には(ステップS14:NO)、入力電圧Vdが増加するように、すなわち、受電コイル212が送電コイル112から離れるように、車線内における車両200の横方向の走行位置を、現在の位置よりも車線の外側に変動させた後、ステップS12に戻って処理を繰り返す。例えば、図4に示すように、受電コイル212の仮想の中心線CXrが送電コイル112の仮想の中心線CXtに対して+y方向側である横方向右側にある場合は、現在の位置よりもさらに横方向右側に移動させればよい。これに対して、受電コイル212の仮想の中心線CXrが送電コイル112の仮想の中心線CXtに対して-y方向側である横方向左側にある場合は、現在の位置よりもさらに横方向左側に移動させればよい。
なお、ステップS18における走行位置の変動量は、あらかじめ定めた定数値としてもよく、差[Vdc-Vd]の大きさに応じて変化する変数値としてもよい。そして、設定された変動量に応じた車両200の変動は、上述したように、制御装置290が、車両運転制御装置295を介して、車両200の運動を制御することにより、実行される。
以上説明したように、上記実施形態では、進行方向に沿って配置された複数の送電コイル112に対して、車両200の走行位置を変動させることにより、送電コイル112に対する受電コイル212の相対的な位置を変動させて、送電コイル112と受電コイル212との結合係数kを変動させることができる。これにより、DC/DCコンバータ回路228における損失の増加を低減させることが可能であり、メインバッテリ230への充電電力として受電する電力の効率、すなわち、充電効率の低下を抑制することが可能である。また、従来技術で実行される供給装置と受電装置との間の通信を必要とせずに、車両200の受電装置205における充電電力として受電する電力の効率を制御することができる。
B.他の実施形態:
(1)上記実施形態における車両200の走行位置の変動は、現在の位置から、決定された変動量で変動させる場合を例に説明した。しかしながら、これに限定されるものではない。図7に示すように、各送電コイル112の中心に設けられた位置マーカMCによって示される送電コイル112の仮想の中心線CXtの位置を基準として、中心線CXtと受電コイル212の仮想の中心線CXtとの間隔Rの大きさを変動量として決定し、車両200の走行位置を変動させるようにしてもよい。なお、位置マーカMCの検出、および、位置マーカMCによって示される仮想の中心線CXtの位置と受電コイル212の仮想の中心線CXtとの間隔Rの検出は、例えば、カメラ等のセンサを車両200に設置することによって実行可能である。
(2)上記実施形態では、DC/DCコンバータ回路228の入力電圧Vdの大きさに従って、車両200の走行位置を変動させることで、送電コイル112に対する受電コイル212の相対的な位置を変動させて、磁気的な結合の大きさを示す結合係数kの大きさを変動させ、充電電力の効率の低下を抑制するようにしている。しかしながら、車両200の走行位置を変動させるためのパラメータは、DC/DCコンバータ回路228の入力電圧Vdに限定されるものではない。例えば、DC/DCコンバータ回路228の入力電力をパラメータとして利用してもよい。また、DC/DCコンバータ回路228の入力電力と出力電力から求められる充電効率をパラメータとして利用することも可能である。なお、入力電力は、電圧センサSV(図2)で計測される電圧値及び不図示の電流センサで計測される電流値から求められる。また、出力電力は、メインバッテリ230の状態を示す情報に含まれる電圧値および電流値から求められる。
また、送電コイル112に対する受電コイルの相対的な位置関係をパラメータとして利用することも可能である。この場合、例えば、位置マーカMCの検出、および、位置マーカMCによって示される仮想の中心線CXtと受電コイル212の仮想の中心線CXtとの相対的な位置関係の検出は、例えば、カメラ等のセンサを車両200に設置することによって実行が可能である。
(3)上記実施形態の説明では、受電装置205の設計においては、通常、結合係数kがあらかじめ許容される範囲のうちの最低の値である場合において得られる受電能力によって、最低限必要な要求電力が確保されるように、受電装置205の各回路のパラメータが設定されている場合を例に説明した。そして、この場合、最も充電電力の効率が高い状態となるように、受電する電力の制御が実行される。しかしながら、これに限定されるものではなく、あらかじめ定めた条件で動作する場合を基準として、充電電力として受電する電力を制御するようにしてもよい。
(4)上記実施形態では、送電側の送電コイル112も受電側の受電コイル212も単相の場合を例に説明している。しかしながら、これに限定されるものではない。送電側を複数相の送電コイルの構成としてもよい。また、受電側を複数相の受電コイルの構成としてもよい。例えば、送電側は単相の導電コイルで受電側は2相あるいは3相以上の複数相の受電コイルの構成としてもよい。また、送電側は2相あるいは3相以上の複数相の送電コイルの構成で、受電側は単相、あるいは、複数相の受電コイルの構成であってもよい。
(5)上記実施形態では、直列共振を利用した送電共振回路および受電共振回路を例に説明したが、これに限定されるものではなく、並列共振を利用した送電共振回路および受電共振回路としてもよく、いずれか一方は直列共振で他方は並列共振を利用した共振回路としてもよい。
本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
100…給電装置、110…送電共振回路、112…送電コイル、200…車両、205…受電装置、210…受電共振回路、212…受電コイル、290…制御装置、Seg…セグメント

Claims (8)

  1. 給電装置(100)と、バッテリ(230)を備える移動体(200)に搭載され、前記給電装置に対して相対的な位置が変動する受電装置(205)と、を有し、前記給電装置から前記受電装置に非接触で電力が供給される非接触給電システムであって、
    前記給電装置は、前記受電装置に電力を送電する少なくとも1つの送電コイル(112)を含む送電共振回路(110)を有する複数のセグメント(Seg)であって、各セグメントの前記送電コイルが前記移動体の進行方向に沿って配置される複数のセグメントを備え、
    前記受電装置は、
    いずれかの前記送電コイルから電力を受電する少なくとも1つの受電コイル(212)を含む受電共振回路(210)と、
    前記受電コイルが前記送電コイルから離れるように前記移動体の位置を変動させることにより、前記バッテリの充電効率を制御する制御装置(290)と、
    を備える、非接触給電システム。
  2. 請求項1に記載の非接触給電システムであって、
    前記受電装置は、さらに、
    前記受電共振回路で受電された交流電力を直流電力に変換する整流回路(226)と、
    前記整流回路から入力される直流電力を、前記バッテリに供給可能な電力に変換する電力変換回路(228)と、
    を備える、非接触給電システム。
  3. 請求項2に記載の非接触給電システムであって、
    前記制御装置は、前記送電コイルに対する前記受電コイルの相対的な位置を変動させて、前記送電コイルと前記受電コイルとの間の磁気的な結合の大きさを制御することにより、前記充電効率を制御する、非接触給電システム。
  4. 請求項3に記載の非接触給電システムであって、
    前記制御装置は、前記磁気的な結合の大きさに応じて変化する前記電力変換回路の入力電圧の大きさに従って、前記移動体が移動する位置を変動させることにより、前記送電コイルに対する前記受電コイルの相対的な位置を変動させて、前記充電効率を制御する、非接触給電システム。
  5. 請求項3に記載の非接触給電システムであって、
    前記制御装置は、前記磁気的な結合の大きさの変化に対応する前記送電コイルに対する前記受電コイルの相対的な位置の関係に従って、前記移動体が移動する位置を変動させることにより、前記送電コイルに対する前記受電コイルの相対的な位置を変動させて、前記送電コイルと前記受電コイルとの間の磁気的な結合の大きさを制御することにより、前記充電効率を制御する、非接触給電システム。
  6. 請求項4または請求項5に記載の非接触給電システムであって、
    前記制御装置は、前記充電効率が予め定めた大きさを超えるように前記移動体の位置を変動させる、非接触給電システム。
  7. 請求項1から請求項6までのいずれか一項に記載の非接触給電システムであって、
    前記制御装置は、前記移動体の進路の幅方向において前記受電コイルが前記送電コイルから離れるように前記移動体の位置を変動させることにより、前記充電効率を制御する、非接触給電システム。
  8. 給電装置(100)から、バッテリ(230)を備える移動体(200)に搭載され、前記給電装置に対して相対的な位置が変動する受電装置(205)に非接触で電力が供給される非接触給電システムの制御方法であって、
    前記給電装置は、前記受電装置に電力を送電する少なくとも1つの送電コイル(112)を含む送電共振回路(110)を有する複数のセグメント(Seg)であって、各セグメントの前記送電コイルが前記移動体の進行方向に沿って配置される複数のセグメントを備え、
    前記受電装置は、少なくとも1つの受電コイル(212)を含む受電共振回路(210)を備え、
    前記受電コイルが前記送電コイルから離れるように前記移動体の位置を変動させることにより、前記バッテリの充電効率を制御する、非接触給電システムの制御方法。
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